Mecanismos neuronales de la selección de estímulos visuales en el circuito istmo-tectal

Abstract

El tectum óptico (TeO) es un componente principal de la vía visual tectofugal del cerebro, encontrándose entre la retina y el tálamo. Ha sido estudiado en múltiples especies de vertebrados; sin embargo, aún quedan muchas interrogantes sin respuesta sobre sus mecanismos y función conductual asociada. Recientemente, investigaciones realizadas en este laboratorio han encontrado evidencia que sugiere que el tectum, junto con el complejo del istmo, podría implementar un circuito recursivo que actúa como un filtro de selección de estímulos. El modelo postula que la influencia excitatoria localizada del núcleo istmo parvocelular (Ipc) en el tectum, junto con las proyecciones inhibitorias de campo amplio del núcleo istmo magnocelular (Imc), dan lugar a un "punto focal" local que regula la entrada visual desde la retina que se transmite río arriba hacia el núcleo talámico rotundus (Rt) y el pallium. Sin embargo, la evaluación experimental de las características espaciotemporales de la retroalimentación istmotectal todavía está pendiente. Para obtener una comprensión más completa del funcionamiento del circuito istmotectal, esta investigación utilizó arreglos de múltiples electrodos para investigar la respuesta visual en el tectum óptico de Columbia livia. El estudio se centró en los patrones espaciotemporales de las ráfagas oscilatorias tectales (OBs), que sirven como una indicación distintiva de la retroalimentación del Ipc al tectum. Aunque las OBs tectales son respuestas características, son altamente variables y su detección automática ha sido un desafío. En este estudio, utilizamos una técnica de descomposición en matrices llamada Factorización en Matrices Semipositivas Invariantes al Desplazamiento (SSNMF, por sus siglas en inglés). Los resultados de la anotación automática demostraron un nivel significativo de concordancia con las anotaciones realizadas por un experto humano, lo que nos brinda confianza en los resultados obtenidos. Utilizando este método pudimos caracterizar la respuesta de retroalimentación del Ipc a un nivel de detalle y escala sin precedentes. Durante nuestra examinación de las OBs registradas, observamos un patrón distintivo de expansión radial en la superficie del tectum, donde las OBs se manifestaban inicialmente en una localización fuente singular y posteriormente se propagaban horizontalmente en todas las direcciones. Llamamos a cada uno de estos eventos de expansión una "onda-ráfaga". Luego estudiamos la distribución de los puntos fuente de las ondas-ráfaga individuales en respuesta a diferentes patrones de estimulación. Encontramos que la presentación de un círculo pequeño de luz estático produce una serie de ondas-ráfaga, cada una de las cuales se expande aún más desde su centro. Las fuentes de cada onda-ráfaga aparecen en las cercanías de la ubicación del estímulo visual en el mapa tectal, y para estímulos en movimiento, las fuentes de los onda-ráfaga sucesivas siguen la representación tectal de la trayectoria de los estímulos en movimiento. En todos los casos, las ondas ocurren de manera iterativa y secuencial, abarcando los lugares estimulados y sus alrededores. La presentación de dos estímulos en movimiento resulta en que los puntos fuente siguen ambas trayectorias en alternancia consecutiva. Hasta la escala determinada por el arreglo de electrodos, observamos sólo una onda-ráfaga en un momento dado. Replicamos los experimentos en palomas despiertas y obtuvimos resultados similares. Esta observación crucial elimina la posibilidad de atribuir las onda-ráfaga tectales a los efectos de la anestesia, lo que refuerza nuestra confianza en su relevancia biológica. Estos hallazgos contribuyen a nuestra comprensión de un circuito neural que parece implementar un mecanismo de selección de estímulos en el TeO. El patrón espacio-temporal exhibido por la actividad del Ipc en el tectum se puede describir como un foco de excitabilidad que recorre el TeO y realza las características visuales en la región que abarca, mientras que el resto de la escena visual se inhibe. Los conocimientos obtenidos en este estudio con respecto a las propiedades del foco, como su tamaño, velocidad y frecuencia de parpadeo, nos permiten establecer conexiones entre estudios fisiológicos y conductuales. Además, la dinámica de este sistema potencialmente nos brinda una idea de cómo podría funcionar un mecanismo de atención en el cerebro, ya que varios estudios han llevado a la noción de que la atención espacial es comparable a un foco perceptual que escanea representaciones internas de la escena visual. En definitiva, hasta donde sabemos, un correlato neural real de un foco parpadeante como el que describimos en el tectum aviar nunca se ha informado en otras áreas cerebrales de ninguna especie de vertebrados, lo que convierte nuestro hallazgo en una contribución muy significativa al campo

The optic tectum (TeO) is a main component of the brain's tectofugal visual pathway, found between the retina and the thalamus. It has been studied in multiple vertebrate species, yet how it operates and many associated questions related to its neural mechanisms and behavioral function remain unanswered. Recently, research conducted at this laboratory has found evidence suggesting that the tectum, along with the isthmic complex, may implement a recursive circuit acting like a stimulus selection filter. The model posits that the localized excitatory influence of the parvocellular isthmic nucleus (Ipc) on the tectum, along with the wide-field inhibitory projections of the magnocellular isthmic nucleus (Imc) give rise to a local "spotlight" that gates the visual input from the retina en route to the thalamic nucleus rotundus (Rt) and the pallium. However, the experimental assessment of the spatio-temporal characteristics of the isthmotectal feedback is still pending. To gain a comprehensive understanding of the isthmotectal circuit's operation, this research employed multi-electrode arrays to investigate the visual response in the optic tectum of Columbia livia. The study focused on the spatio-temporal patterns of the tectal oscillatory bursts (OBs), which serve as a distinctive indication of Ipc feedback to the tectum. Although the tectal OBs are characteristic responses, they are highly variable and their automatic detection has been a challenge. In this study, we utilized a matrix decomposition technique called Shift-invariant Semi Non-negative Matrix Factorization (SSNMF). The results of the automatic annotation demonstrated a significant level of concordance with annotations conducted by a human expert, giving us confidence on the obtained results. Using this method we were able to characterize the Ipc feedback response to an unprecedented level of detail and scale. During our examination of the recorded OBs, we observed a distinct pattern of radial expansion on the surface of the tectum, whereby the OBs initially manifested at a singular point source and subsequently propagated horizontally in all directions. We called each of these expanding events a burst-wave. We found that the presentation of a static spot of light produced a series of burst-waves each of which expanded further away from their center. The sources of each burst-wave appeared in close vicinity of the visual stimulus location on the tectal map and for moving stimuli the sources of the successive burst-waves tracked the tectal representation of the trajectory of the moving stimuli. In every case, the waves occurred in an iterative, sequential fashion, encompassing the stimulated loci and their surroundings. The presentation of two moving stimuli resulted in source points tracking both trajectories in consecutive alternation. Up to the scale determined by the array of electrodes, we observed only a single burst-wave at any given time. We replicated the experiments in awake pigeons and obtained comparable results. This crucial observation eliminates the potential for tectal burst-waves to be attributed to the effects of anesthesia, thereby bolstering our confidence in their biological relevance. These findings contribute to our understanding of a neural circuit that seems to implement a mechanism of stimulus selection in the TeO. The spatio-temporal pattern exhibited by Ipc activity on the tectum can be described as an spotlight of excitability traversing the TeO which would enhance visual features in the region it comprises, while the rest of the visual scene would be inhibited. The insights obtained in this study relative to the properties of the spotlight, such as its size, speed and blinking frequency allow us to draw bridges between physiological and behavioral studies. Moreover, the dynamics of this system potentially provide a glimpse into how an attention mechanism might operate in the brain as several studies have led to the notion that spatial attention is comparable to a perceptual spotlight that scans internal representations of the visual scene. All in all, to our knowledge, a true neural correlate of a blinking spotlight such as the one we describe in the avian tectum has never been reported in other brain areas in any vertebrate species, making our finding a highly significant contribution to the field